第二章二元合金及其相图课件

第二章二元合金及其相图什么是合金？所谓合金是指两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼或烧结或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质。合金与纯金属相比，优越性极大，因为可以通过配制各种不同成分的合金，使之达到优良的机械性能，而且物理化学性能也可以与纯金属相比美，最重要的是成本还比较低。例如：钢、铸铁等就是铁、碳合金。成分：合金中各种元素的含量组元:组成合金最基本、独立的物质叫做组元。它是组成合金的元素或稳定的化合物；例如：碳钢的组元是铁和碳，也可以认为是铁和金属化合物（Fe3C）。相：合金中结构、成分和性能均匀一致并以界面相互分开的组成部分。例如：纯金属在固态时为一个相（固相），在熔点以上为另一个相（液相）。合金系：由两个或两个以上组元按不同的比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系，例如，Pb-Sn系、Fe-Fe3C系；

合金的相结构分类或固溶体概念：在固态下，溶质原子以不同方式进入溶剂金属组元的晶格中去，这样形成的新相。特征：①总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质②保有溶剂的晶格结构

③成分可在一定范围内变化，性能随成分的变化而变化④产生晶格畸变分类：固溶体化合物固溶体化合物机械混合物按溶质位置置换固溶体间隙固溶体按排列方式有序固溶体无序固溶体按溶解度有限固溶体无限固溶体§3—1固态合金相的种类及特点置换固溶体：溶质原子位于溶剂晶格某些结点位置而形成的固溶体。

间隙固溶体：溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是添入溶剂原子间的一些间隙中。当溶质与溶剂原子半径之比小于0.59时，才可能形成间隙固溶体。溶质元素在固溶体中的溶解度C：C=溶质元素的重量（原子数）/固溶体的总重量（总原子数）×100%。当C有一定限度时，这种固溶体叫做有限固溶体。当C没有一定限度是时（即溶质元素与溶剂元素之间可以形成任何比例的固溶体），这种固溶体叫做无限固溶体。只有当溶质元素与溶剂元素之间形成置换固溶体时，才有可能形成无限固溶体；而形成间隙固溶体时，只能是有限固溶体。

影响固溶体类型、溶解度的因素晶格类型：晶格类型相同的容易形成无限置换固溶体

原子尺寸：置换固溶体，原子半径相差很小时，容易形成无限固溶体，间隙固溶体，溶质原子半径越小，溶解度越大。）

电化学性（电负性）：元素的原子从其他原子取得电子而转变为负离子的能力。负电性越是接近，其溶解度越大，相差大时，易于形成化合物。固溶体的形成对金属性能的影响

固溶强化原因是：引起晶格畸变

化合物

概念金属化合物分类

非金属化合物

特点（金属化合物）：①可以用化学式表示，但与普通化合物不同，不一定遵守化合价规律

正常价化合物

电子价化合物间隙化合物②一定程度上具有金属的性质

③晶格结构完全不同于任一组元④熔点高、硬而脆

对合金性能的影响

机械混合物

间隙相具有复杂结构的间隙化合物§3—2二元合金相图合金在结晶之后，既可获得单相的固溶体组织，又有可得到单相的化合物组织，还可得到由固溶体和化合物或几种固溶体组成的多相组织。并且组元成分、温度还影响到结晶后所获得的相的性质、数目和相对含量。为了研究清楚这些问题，我们需要利用相图这一工具。二元合金相图的建立有关相图的基本概念相图（状态图）:用来表示合金系中合金在平衡条件下各相的存在状态与温度、成分之间的解平衡相图:相图上表示的组织都是在极其缓慢冷却的条件下所获得的，都是接近平衡状态的组织，又叫做平衡图。组织：在金相显微镜下观察到的具有某种形貌或形态特征的组成部分。相图的建立（热分析法）Cu—Ni相图的建立过程：配置合金测定冷却曲线标定临界点绘制合金相图结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。

典型二元合金相图匀晶相图特点:两组元在液态和固态均无限互溶时所组成的相图。相图分析合金的结晶过程LL+液态合金冷至t1温度，开始从液态合金中析出α相，此时结晶出的α成分为α1，液相的成分为L1（即为合金的成分C）；随着温度的降低，L→α，到达t2温度，液相的成分沿着液相线变为L2，固相沿着固相线变为α2；同时，液相的数量逐渐的降低，α相的数量逐渐的增加；温度冷至t3时，液相全部结晶为α相，α成分沿固相线变为α3（即合金的成分C）。温度继续下降，就为固溶体α的简单冷却注意：①合金在平衡结晶时，结晶出的固相成分沿固相线变化，液相的成分沿液相线变化；②液（固）相线表示在无限缓慢冷却的条件下，液、固两相平衡共存时，液（固）相的化学成分随温度的变化情况。杠杆定律设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Q。则

QL+Q=1

QL

x1+Q

x2=x

解方程组得式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。因此两相的相对重量百分比为：两相的重量比为：固溶体中合金的偏析在晶粒内部化学成分不均匀的现象叫做晶内偏析，也叫枝晶偏析产生原因：在实际生产中，冷却速度较快，使合金内部，尤其是固相内部的原子来不及充分扩散危害：严重影响机械性能，特别是使塑性、韧性下降，抗蚀能力下降；冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。消除方法：扩散退火（均匀化退火）：即将铸件加热到低于固相线100~200℃的温度进行长时间的保温，使偏析元素充分的扩散，从而使合金的成分均匀化。

共晶相图特点：当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，而且发生共晶反应时，所构成的相图

相图分析a点：Pb的熔点；b点：Sn的熔点；d点：共晶点；adb线：液相线；acdeb线：固相线；cf线：α固溶体的溶解度曲线；eg线：β固溶体的溶解度曲线；面：单相区：液相区、α固溶体区、β固溶体区；两相区：L+

α、L+

β、

α+

β；ced线是L+

α+

β三相共存区，ced线也叫共晶线；一次相(初生相):从液相中结晶出的固相二次相(次生相:)由已有固相析出的新固相二次析出:形成二次相的过程共晶合金:具有共晶成分的合金亚共晶合金:凡成分位于共晶点以左的合金过共晶合金:位于共晶点以右的合金称含Sn量小于C点合金(Ⅰ合金)的结晶过程在3点以前为匀晶转变，结晶出一次相固溶体。温度降到3点以下，固溶体中Sn过饱和，由于晶格不稳，开始析出Ⅱ

相。随温度下降，和相的成分分别沿CF线和DG线变化，Ⅱ的重量增加。.22、合金的平衡结晶过程：合金Ⅱ为WSn=61.9%的共晶合金，它的冷却过程如图所示：温度在1点以上时，是液体的冷却，当在1点温度时，开始同时共晶处α相和β相温度冷到d（1点）点以下时，α相和β相均冷却，其中，α相的溶解度沿着cf线变化，β相的溶解度沿着dg线变化，各自分别生出次生相，αⅡ、βⅡ，可忽略。所以共晶合金的室温组织为α+

β；层片状(Al-CuAl2定向凝固)条棒状(Sb-MnSb横截面)螺旋状（Zn-Mg）Pb-Sn共晶组织共晶组

织形态

冷却到e点，合金的温度冷到了te（183℃），合金的成分为共晶成分，所以发生共晶反应：Ld→αc+βd，得到共晶组织，计算一下它们的相对含量：

Wβ=1-Wα=1-45.4%=54.6%亚共晶合金(Ⅲ合金)的结晶过程合金液体在2点以前为匀晶转变。冷却到2点，固相成分变化到c点，液相成分变化到E点,此时两相的相对重量为：温度继续下降，将从一次

和共晶

中析出Ⅱ，从共晶

中析出Ⅱ。其室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。过共晶合金结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为

,二次相为Ⅱ室温组织为Ⅰ+(+)+Ⅱ。Pb-Sn合金的结晶过程⑶组织组成物在相图上的标注组织组成物是指组成合金显微组织的独立部分。Ⅰ和Ⅰ,Ⅱ和Ⅱ,共晶体(+)都是组织组成物。相与相之间的差别主要在结构和成分上。组织组成物之间的差别主要在形态上。如Ⅰ

、

Ⅱ和共晶

的结构成分相同，属同一个相，但它们的形态不同，分属不同的组织组成物。将组织组成物标注在相图中，可使所标注的组织与显微镜下观察到的组织一致。在金属学中，借助与各种不同放大倍数的金相显微镜所观察到的金属和合金中的晶粒形状、大小及各组成相的分布形态等形貌，成为显微组织，或称金相组织（简称金相）Pb-Sn亚共晶组织包晶相图特点当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，并发生包晶反应时所构成的相图称作包晶相图。包晶反应Lc+αpβDL+L+L+⑴相图分析单相区：L、、β二相区：L+、L+、+三相区：L++

（水平线PDC）水平线DPC称包晶线，与该线成分对应的合金在该温度下发生包晶反应：LC+P⇄βD。该反应是液相L包着固相,新相β在L与α的界面上形核，并向L和两个方向长大。在一定温度下，由一个液相包着一个固相生成另一新固相的反应称包晶转变或包晶反应。⑵合金的结晶过程①

包晶成分合金：匀晶包晶二次析出。温度在1点以上为液相的简单冷却；1~·2点为L→α；冷至2点，液相的成分变到c点，α的成分沿ad线变到d点，温度冷至包晶温度，所以可以发生包晶反应：Lc+αd→βp，包晶反应的示意图如图；反应结束后，液相和α恰好全部转变为β相。2~3点，Pt在β相中的溶解度沿pf线变化，生成次生相αⅡ。所以，合金的室温组织为β+αⅡ；②PD之间成分合金：匀晶包晶二次析出。合金在包晶反应前的结晶情况与上述情况相似。包晶转变前合金中相相对量大于包晶反应所需的量，所以包晶反应后，除了新形成的β相外，还有剩余的相存在。包晶温度以下，β相中将析出II

，而相中析出βII

，因此该合金金的室温平衡组织为+βII

+β+II③DC之间的成分合金：匀晶包晶匀晶二次析出合金缓冷至包晶转变前的结晶过程与上述包晶成分合金相同，由于合金中的液相的相对量大于包晶转变所需的相对量，所以包晶转变后，剩余的液相在继续冷却过程中，将按匀晶转变方式继续结晶出产β相，其成分沿CB液相线变化，而β相的成分沿PB线变化，直至t3温度全部凝固结束。

组织为β+II。·

共析相图特点:由一个固相同时析出成分和晶体结构均不相同的两个新固相的过程。共析反应

相图分析:cde线为共析线，d点为共析点共析线所对应的温度叫做共析温度。γdαc+βe共析体与共晶反应不同的是，共析反应的母相是固相，而不是液相。另外，由于固态转变过冷度大，因而共析组织比共晶组织细。形成稳定物的二元合金相图合金的结晶过程二元相图的分析步骤⒈分清相图中包括哪些基本类型相图⒉确定相区⑴相区接触法则相邻两个相区的相数差为1⑵单相区的确定①液相线以上为液相区；②靠纯组元的封闭区是以该组元为基单相固溶体区；③相图中的垂线可能是稳定化合物（单相区），也可能是相区分界线④

相图中部出现的成分可变的单相区是以化合物为基的单相固溶体区；⑤相图中每一条水平线必定与三个单相区点接触。⑶两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。⑷三相区的确定：二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成恒温下由一个固相同时析出两个成分结构不同的新固相。

⇄

+共析反应恒温下由一个液相包着一个固相生成另一个新的固相。L

+

⇄包晶反应恒温下由一个液相同时结晶出两个成分结构不同的新固相。L⇄+共晶反应说明反应式图形特征反应名称常见三相等温水平线上的反应相图与合金性能之间的关系⑴相图与合金力学性能、物理性能的关系①两相整合的合金:性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如：混=∙Q

+β∙Qβ

HB混=HB

∙Q

+HBβ∙Qβ(Q

、Qβ)为两相相对重量)②单相固溶体的合金：性能随成分呈曲线变化，随溶质含量增加，强度σ、硬度HB、电阻率增加，塑性下降。③形成稳定化合物的合金：性能-成分曲线出现拐点。⑵相图与铸造性能的关系

①固溶体